高速鐵路連續彎梁橋懸臂的施工控制

杜立安

摘要:筆者闡述了高速鐵路橋梁對施工控制的精度要求，并分析了懸臂施工連續彎梁橋的力學性能及其橋梁施工控制的主要內容。

關鍵詞：高速鐵路 懸臂施工 連續彎梁橋 施工控制

我國是世界上高速鐵路建設發展最快、運營里程最長的國家。高速鐵路中橋梁所占比重很大，已經運營的路段橋梁比重占到了52％。高速鐵路要求列車運行安全、平穩，旅客乘坐舒適，這就要求軌下橋梁結構具有高平順性、高可靠性和高穩定性。彎梁橋能更好地保證線路平順、行車舒適；能與周圍環境相適應，外形更加美觀；與“以直代彎”的曲線橋相比，減少了很多不必要的構造措施，減小了梁寬。鐵路上采用彎梁橋較少，彎梁橋中以連續梁橋為首選。

為了保證結構的整體穩定性和抗扭性能，鐵路預應力混凝土彎梁梁橋一般采用剛度和抗扭性能良好的箱形截面梁。

1 高速鐵路橋梁對施工控制的精度要求

高速鐵路設計行車速度大于250km／h。

高行車速度對軌道平斷面和縱斷面的平順性要求很高，軌道上微小的不平順或長波不平順對列車都將造成巨大的振動激擾，影響行車舒適度，嚴重的會造成列車脫軌。我國高速鐵路橋多采用無砟軌道，線下工程結構施工結束后線路高程的調整量非常小，高速鐵路橋梁的施工精度比普通鐵路橋要高。

高速鐵路預應力混凝土連續梁橋懸臂澆筑梁段的施工精度要求如表1。

表1懸臂澆筑梁段和外形尺寸的允許偏差mm

2 懸臂施工連續彎梁橋的力學性能

懸臂施工的主要工序為墩梁固結一兩端對稱逐段懸出，體系為“T”構一澆筑中跨合攏段一合攏次中跨和邊跨一拆除臨時固結，體系轉換。連續彎梁橋在施工階段承受的作用有結構和掛籃自重、預應力、溫度、混凝土收縮徐變和施工荷載等。

懸臂施工連續彎梁橋的力學性能與直線連續梁橋有很大不同：

(1)荷載作用引起的截面內力除彎矩和剪力外，還有扭矩。懸臂彎梁的彎矩My小于同梁長直梁的彎矩，曲率半徑越小，兩者差別越大。懸臂彎梁的扭矩的大小與截面位置、曲率半徑有關，在懸臂梁根部扭矩最大，且曲率半徑越小，該截面扭矩越大。

不管中墩采用的是抗扭支座還是單個鉸支座，體系轉換時，由于“彎一扭”耦合，梁內各截面彎矩和扭矩均發生變化。箱梁發生的扭轉為翹曲扭轉，但由于混凝土箱梁薄壁效應不明顯，扭彎剛度比較大，翹曲變形不明顯。

(2)懸臂施工階段，彎梁的位移有豎向位移、橫向位移、軸向位移及扭轉角。

根據符拉索夫微分方程[1]，懸臂彎梁在荷載作用下的橫向位移Y由橫向彎矩Mz引起，豎向位移z和扭轉角由彎矩My和扭矩Mx共同引起，即存在“彎一扭”耦合。豎向位移和扭轉角的大小與梁的抗扭剛度和抗彎剛度、扭彎剛度比、曲率半徑、材料彈性模量和泊松比有關，其中曲率影響最大。懸臂端端部的豎向變形和扭轉角最大。

由于扭轉效應，截面內外側豎向位移不相等，截面內外側豎向位移差對連續梁的順利合攏、成橋后線性和內力有較大影響，在施工控制時需要平衡這個位移差。

(3)彎梁的重心線偏離中心線。由于曲率的存在，梁長外側比內側長，導致梁外側自重比內側大，重心線在中心線外側。曲率越大，兩條線距離越大。

(4)彎梁的溫度效應明顯。不管是懸臂階段、合攏階段還是成橋階段，系統溫度變化和日照溫差會引起結構較大的位移。圖l為系統升溫時懸臂彎梁溫度效應的平面示意圖。H照溫差會引起懸臂彎梁較大的豎向位移和橫向位移。溫度效應在施工控制時必須要考慮。

圖1 懸臂彎梁在系統升溫時的溫度效應

3 高速鐵路連續彎梁橋的施工控制

連續彎梁橋施工過程中，隨著結構的荷載、受力體系、材料性能、環境溫度、濕度的不斷變化，結構的內力和變形隨之不斷變化。為了保證彎梁橋的施工安全，確保成橋后結構的線形和內力狀態符合要求，必須對橋梁的每一施工階段進行施工控制。

施工控制的主要內容是線性控制和應力監控。懸臂施工的連續彎梁橋與直梁橋施工控制最大的不同是要平衡彎扭耦合引起的梁內外側豎向位移差和橫向位移。

3．1線性控制

連續彎梁橋的施工線性控制包括平面線性控制豎向線性控制兩方面。平面線性控制主要控制曲梁中線各點的橫向坐標，保證成橋后的線路中線位于設計位置；豎向線性控制主要控制梁底立模標高，保證成橋后梁頂標高滿足設計要求。

高速鐵路彎梁橋線性控制需要建立精密的平面和高程控制網，而且橋的測量控制網要與軌道測量控制網一體化，這樣可以避免線上軌道和橋梁結構測量精度不同造成的誤差過大。

預應力混凝土箱梁的位置觀測點在梁頂中線及中線兩側對稱布置，如圖2所示。0#塊梁上一般布置9～13個測點，中線上3個，兩側各3～5個，這些測點是各懸澆梁段定位的基準點。各懸澆梁段上的測點布置在距梁段前端10～20CITI處的梁頂，一般為3～5個，這幾個測點可以準確確定懸澆梁段的標高、中線點坐標和弦長，其中兩邊對稱的1和5、2和4測點還可以測定截面的扭轉變形。

(a)0#塊上的觀測點布置 (b)懸澆梁段上的觀測點布置

圖2箱梁線性控制觀測點

3．1．1豎向線性控制

懸澆梁段各測點的空間坐標(主要包括標高、橫向位置)的測量主要分3個階段：立模定位時、混凝土澆筑前后和預應力張拉前后。

彎梁橋懸臂施工時豎向線性控制要控制各梁段每一個測點的立模標高，這一點和直線梁橋不同。梁段各測點的立模標高Hlm為

(1)

式中，H為設計標高，由設計圖紙給出；H為計算所得的預拋度，包括施工時的梁段和掛籃重量、二期恒載、預應力、混凝土收縮徐變、豎向靜活載、彎扭作用引起的豎向變位和體系轉換引起的豎向變位；△H為標高施工調整值，主要考慮已澆梁端實測標高、施工時臨時結構(掛籃、支架)的撓度、混凝土施工時現場溫差引起的豎向變位、梁段施工時間間隔超過3個月的影響等。

3．1．2平面線性控制

彎梁橋懸臂施工時的平面線性控制主要控制各梁段中線終點的橫向坐標。中線測點的立模橫向坐標ylm為：

(2)

式中，為設計橫向坐標，由設計圖紙給出;為計算所得的橫向坐標預偏值，考慮預應力張拉、混凝土收縮徐變引起的橫向位移；為橫向坐標的施工調整值，主要考慮已澆梁段端部實測橫向坐標、混凝土施工時現場溫度及溫度變化引起的橫向變位、風荷載引起的橫向變位以及梁段施工時間間隔超過3個月引起的橫向變位等。

3．2應力監控

采用懸臂施工的連續彎梁橋施工階段應力監控的目的是通過應力量測，獲得主要施工階段(主要是預應力張拉前后、合攏前后、體系轉換前后)關鍵截面、關鍵點處的實際施工應力，并和計算所得應力進行比較，看是否吻合，判斷結構是否處于可能開裂失穩或破壞等極限狀態，由此確定施工方法是否合適，是否需要對施工方法進行調整。

懸臂施工的連續彎梁橋應力監控的截面主要選擇墩兩側截面、邊跨和中跨跨中、L／4處等。測點要布置在應力較大的位置。

圖3為觀測截面的測點布置圖。梁頂和梁底測點主要測試正應力，根據測試結果判斷正應力值和變化規律是否與計算結果吻合，判斷截面是否會開裂；腹板測點主要測試剪應力或主應力的值及變化規律，以及看斜截面是否會開裂。

圖

3應力測點布置

應力的量測一般采用應變計，由測得的應變再換算為應力。應變計測得的應變是綜合應變，包括了混凝土收縮、徐變、荷載和溫度引起的影響。在分析荷載引起的應力分布規律時，要分離出溫度和混凝土收縮引起的應變值。分離的辦法是通過在與應力測點同一位置處埋設無應力計，測得溫度和混凝土收縮引起的應變，然后從總應變值中拋除，即：

(3)

式中，為應變計測得的總應變,為荷載、混凝土徐變引起的應力應變,為溫度、混凝土收縮引起的自由應變，由無應力計測得。

無應力計埋設時應與應變計綁在同一鋼筋位置上，如果該處尺寸較小，為防止截面削弱過大，也以在附近截面同樣位置埋設無應力計。

應力監控與施工階段結構分析計算所得應力結合進行。

3．3高精度施工控制的程序

施工控制的一般步驟是：基本數據量測一識別所需的信息一施工分析、誤差分析和控制一對下一梁段施工數據提出預告一進行下一梁段的施工一基本數據量測(循環進行)。

基本數據的獲取和量測準確性是高精度施工控制的依據。這些數據資料包括：高強高性能混凝土的材料性能及時變性，施工溫度，施工荷載，臨時結構的荷載變形曲線，各測點的標高和平面坐標，各測點的應力等。這些數據資料的獲得需要進行大量的工作。搜集分析高強高性能混凝土的材性資料并進行現場混凝土試驗以獲得混凝土材性的各項指標；埋設溫度計量測混凝土內部溫度變化；對可能出現的施工荷載進行分析、計算；掛籃和支架等臨時結構進行預壓獲得荷載一變形曲線；梁頂預埋鋼筋露頭作為各梁段標高和平面位置定位的測點，在相應點預埋應變傳感器測試應力。

施工分析、誤差分析和控制過程是高精度施工控制的保證。施工分析計算模型必須建立空間模型，建立平面模型的誤差會很大。施工分析采用正裝分析和倒裝分析相結合，計算各測點的理論位置和應力，并與實測值相比較，結合現場溫度和混凝土材性進行誤差分析，確定最優施工狀態，預報下一階段施工梁段的立模標高和平面坐標。

參考文獻

[1]邵容光，夏淦．混凝土彎梁橋EM]．北京：人民交通出版社，1994：16-52

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。